Znajdź zawartość

W elektronice konsumenckiej kropki kwantowe wykorzystywane są np. w telewizorach, gdzie znacząco poprawiają odwzorowanie kolorów. Używa się ich, gdy telewizory LCD wymagają tylnego podświetlenia. Standardowo do podświetlenia używa się białych LED-ów, a kolory uzyskuje dzięki filtrom. Zanim pojawiły się kropki kwantowe znaczna część światła nie docierała do ekranu, była blokowana przez filtry. Zastosowanie kropek kwantowych w LCD wszystko zmieniło. Obecnie telewizory QD LCD wykorzystują niebieskie LED-y jako źródło światła, a kropki kwantowe, dzięki efektom kwantowym, zmieniają to światło w czerwone i zielone. Do filtrów docierają wówczas wyłącznie trzy składowe kolorów – czerwony, zielony i niebieski – a nie całe spektrum światła białego, to znacznie mniej światła jest blokowane i marnowane dzięki czemu otrzymujemy jaśniejsze, bardziej nasycone i lepiej odwzorowane kolory. Okazuje się, że ta sama technologia może być przydatna przy uprawie roślin. Wykazują one bowiem preferencje odnośnie kolorów światła. Wiemy na przykład, że nie absorbują zbyt dużo światła zielonego. Odbijają je, dlatego wydają się zielone. Niedawne badania wykazały, że różne rośliny są dostosowane do różnych długości fali światła. W Holandii niektórzy plantatorzy już od dłuższego czasu eksperymentują i uprawiają pomidory pod światłem w kolorze fuksji, róże ponoć lubią bardziej białe światło, a papryka żółte. W 2016 roku Hunter McDaniel i jego koledzy z UbiQD zaczęli zastanawiać się nad wykorzystaniem kropek kwantowych w hodowli roślin. Biorąc bowiem pod uwagę fakt, że kropki kwantowe pozwalają na bardzo precyzyjne dobranie długości fali światła oraz fakt, że światło nie jest blokowane, więc i nie mamy tutaj dużych strat energii, takie rozwiązanie mogłoby się sprawdzić. Wcześniej McDaniel był badaczem w Los Alamos National Laboratory. Pracował tam właśnie nad kropkami kwantowymi i tam zdał sobie sprawę, że toksyczny kadm, wykorzystywany w kropkach, można zastąpić siarczkiem miedziowo-indowym. W 2014 roku założył UbiQD by skomercjalizować opracowaną przez siebie technologie. Na początku naukowiec wyobrażał sobie kilka pól zastosowania dla nowych kropek kwantowych. I wtedy wpadliśmy na pomysł wykorzystania ich w rolnictwie. Ten rynek ma gigantyczny potencjał. Może on wchłonąć nawet ponad miliard metrów kwadratowych powierzchni kropek kwantowych rocznie. Przedstawiciele UbiQD postanowili produkować długie płachty zawierające kropki kwantowe, które byłyby podwieszane pod dachami szklarni i zmieniałyby spektrum wpadającego światła słonecznego. Pierwsze takie płachty dawały światło pomarańczowe o długości fali około 600 nm. Badacze testowali je na badawczych uprawach sałaty na University of Arizona. Z czasem zaczęto prowadzić testy na większą skalę. Inne płachty, dające inne kolory światła, sprawdzano w Nowym Meksyku na pomidorach, ogórkach i ziołach, w Holandii badano wpływ światła z kropek kwantowych na uprawy truskawek i pomidorów, w Kolorado do testów wybrano konopie przemysłowe, w Kalifornii i Oregonie konopie indyjskie, a w Kanadzie ogórki i pomidory. UbiQD nawiązała tez współpracę w firmą Nanosys, która od 2013 roku produkuje kropki kwantowe w ilościach przemysłowych na potrzeby producentów telewizorów. Niedawno UbiQD rozpoczęła komercyjną sprzedaż swoich płacht z kropkami kwantowymi. Mogą je kupić producenci z Azji, Europy i USA. Obecnie na skalę przemysłową produkowane są jedynie płachty dające światło pomarańczowe, jednak trwają badania nad innymi kolorami. UbiQD otrzymała też kilka grantów od NASA. Za te pieniądze ma stworzyć produkt do użycia w warunkach kosmicznych. Tego typu płachta powinna blokować szkodliwe dla roślin promieniowanie ultrafioletowe i zamieniać je w światło o takiej długości, by rośliny mogły przeprowadzać fotosyntezę. « powrót do artykułu

Koreańscy naukowcy dokonali znacznego postępu na drodze do stworzenia pełnokolorowego wyświetlacza z kropek kwantowych. Taki wyświetlacz mógłby w przyszłości posłużyć do budowy telewizora, który pokaże obraz o znacznie lepszej jakości niż wszystko, co dotychczas udało się osiągnąć, a jednocześnie będzie on bardziej energooszczędny niż obecnie wykorzystywane urządzenia. Specjaliści od ponad dziesięciu lat starają się zbudować wyświetlacz z kropek kwantowych. Te półprzewodnikowe kryształy nadają się do tego celu znacznie lepiej niż ciekłe kryształy obecne w LCD, gdyż emitują światło o ściśle określonej długości fali, którą można precyzyjnie dobierać. Kolor światła zależy jedynie od wielkości samej kropki. Jednak problemem okazało się uzyskanie dużych wyświetlaczy korzystających z kwantowych kropek. Obecnie natryskuje się je na podłoże, jednak gdy używamy takiej techniki kropki muszą zostać przygotowane w organicznym rozpuszczalniku, a jego obecność zanieczyszcza wyświetlacz, prowadząc do redukcji jasności i większego zużycia energii. Teraz koreańscy naukowcy, na kórych czele stoi Byoung Lyong Choi z Samsung Advanced Institute of Technology wpadli na pomysł wykorzystania techniki odciskania stempla. Kropki z selenku kadmu są tworzone na krzemowym podłożu a następnie odciskane bezpośrednio na szkle, bez użycia rozpuszczalnika. W ten sposób powstają czerwone, zielone i niebieskie piksele. Brzmi to dość prosto, jednak Choi wyjaśnia, jak trudne zadanie stało przed jego zespołem: trzy lata zajęło nam dopracowanie szczegółów, takich jak np. znalezienie odpowiedniej prędkości i ciśnienia, by możliwe było przeniesienie 100% kropek. Koreańczycy stworzyli już 10-centymetrowy pełnokolorowy wyświetlacz. Testy wykazały, że jest on doskonalszy od osiągnięć innych zespołów naukowych. Maksymalna jasność czerwonych pikseli jest o około 50% lepsza i zużywają przy tym około 70% mniej energii. Co więcej, kwantowe kropki są bardzo wytrzymałe. Będą nadawały się zarówno do produkcji elastycznych wyświetlaczy jak i telewizorów, które muszą przez wiele lat pokazywać obraz o niezmienionej jakości. Konkurencja chwali osiągnięcia Koreańczyków. Seth Coe-Sullivan z firmy QD Vision, która produkuje urządzenia korzystające z kwantowych kropek podkreśla, że wdrożenie ich techniki nie powinno generować dużych kosztów. Jednocześnie przestrzega przed zbytnim entuzjazmem. Myślę, że w ciągu trzech najbliższych lat na bazie kwantowych kropek mogą powstać wyświetlacze dla telefonów komórkowych. Na większe ekrany będziemy musieli poczekać dłużej - stwierdza.

Naukowcy z Uniwersytetu w Buffalo wykorzystali kropki kwantowe do skuteczniejszego dostarczania leków na gruźlicę i inne choroby płuc. Dzięki temu chemioterapeutyk - doksorubicyna - trafia do specyficznych komórek płuc, zwłaszcza makrofagów pęcherzykowych, które stanowią pierwszą linię obrony przed wziewnymi patogenami, nie wywołując przy tym ostrych stanów zapalnych (Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine). Wykorzystując fluorescencję, można sprawić, by w zależności od wielkości kropki świeciły na różne kolory. Ta właściwość jest bardzo cenna dla badaczy, ponieważ "sztuczne atomy" są świetnymi transporterami, poza tym świecą dużo dłużej od barwników, którymi zazwyczaj znakuje się badane molekuły. Dr Krishnan V. Chakravarthy ekscytuje się perspektywą docierania tylko do wybranych komórek, bez konieczności szkodzenia otaczającym tkankom, a nawet odległym narządom. Akademik podkreśla, że udało się to zarówno w hodowlach komórkowych, jak i podczas eksperymentów na modelu zwierzęcym. Na razie technologia znajduje się jeszcze w powijakach, ale gdy powstanie aerozol, będzie można poważnie pomyśleć o testach klinicznych i wdrożeniu wynalazku w szpitalach. Specjaliści z uniwersyteckiego Instytutu Laserów, Fotoniki i Biofotoniki połączyli kropki kwantowe z doksorubicyną. Obrali na cel makrofagi pęcherzykowe (aMØ), które produkują m.in. cytokiny i chemokiny, kształtując w ten sposób przebieg reakcji zapalnej. Centralna rola aMØ w reakcji na wpływy środowiskowe sprawia, że są one idealnymi kandydatami do specyficznego dostarczania leku w celu modulowania odpowiedzi immunologicznej/zapalnej [nie bez powodu makrofagi są nazywane komórkami efektorowi odpowiedzi immunologicznej]. Naukowcy przetestowali właściwości przeciwzapalne kompleksu kropka-doksorubicyna (QD-DOX), wprowadzając do organizmów myszy i szczurów albo sam chemioterapeutyk, albo kropki kwantowe połączone z lekiem. Następnie oceniano zakres uszkodzeń płuc. Okazało się, że kompleks QD-DOX zwiększał pobór medykamentu i nie wywoływał tak silnej reakcji prozapalnej jak doksorubicyna. Zespół wykazał, że lek jest uwalniany dopiero po dotarciu do komórki docelowej i co ważne, nadal zachowuje swoje właściwości.

Na University of Illinois skonstruowano igłę, dzięki której można wstrzyknąć kwantową kropkę do wnętrza jądra komórki. To pozwala na obserwowanie procesów tam zachodzących. Z kolei zrozumienie tych procesów umożliwi szybszy postęp genetyki. Dotychczas do badania tego, co dzieje się w jądrach komórek wykorzystywano proteiny i barwniki. Jednak są one duże i wrażliwe na światło, co bardzo utrudnia ich użycie w połączeniu z mikroskopem. Kropki kwantowe mają tę przewagę, że są bardzo małe, można im nadać fluoroscencyjne barwy czyniąc je łatwymi do śledzenia i są stabilne w świetle. Wiele osób korzysta z kwantowych kropek monitorując procesy biologiczne i uzyskując informacje na temat środowiska komórek. Jednak umieszczenie kwantowych kropek w komórce i wykorzystanie ich w zaawansowanych badaniach to poważny problem - mówi profesor Min-Feng Yu z University of Illinois. Yu oraz jego koledzy - Ning Wang i Kyungsuk Yum - stworzyli nanoigłę działającą jak elektroda, która pozwala na dostarczenie kwantowych kropek w precyzyjnie wyznaczone miejsce jądra komórki. Później można je śledzić za pomocą standardowego mikroskopu fluorescencyjnego. Technika ta daje nam fizyczny dostęp do środowiska wewnątrz komórki. To prawie tak jakbyśmy mieli narzędzia chirurgiczne pozwalające nam tam operować - mówi Yu. Nanoigła to pojedyncza tuba o szerokości 50 nanometrów pokryta cienką warstwą złota. Napełnia się ją kropkami kwantowymi, które są uwalniane do komórki po przyłożeniu niewielkiego napięcia. To pozwala na uzyskanie niezwykle precyzyjnej kontroli. Możemy umieścić nanoigłę w konkretnej lokalizacji i poczekać, aż rozpocznie się konkretny proces biologiczny, który chcemy badać, i wówczas uwalniamy kropki kwantowe. Dotychczasowe techniki nie pozwalały na taką kontrolę - dodaje Yu. Uczeni chcą w przyszłości przystosować swoją igłę do pracy z różnymi typami molekuł tak, by można było za jej pomocą dostarczać np. fragmenty DNA, proteiny czy enzymy. To narzędzie typu wszystko w jednym - mówi Wang. W komórkach zachodzą trzy podstawowe typy procesów: chemiczne, elektryczne i mechaniczne. Igła ma wszystkie trzy właściwości. Jest mechanicznym próbnikiem, elektrodą i systemem dostarczania związków chemicznych - dodaje.

Grafen wydaje się być materiałem jutra. Dopiero niedawno odkryto, jak produkować go metodami przemysłowymi, a pomysły i koncepcje na jego wykorzystanie w elektronice, czy nanotechnologii trudno zliczyć. A będzie ich jeszcze więcej, ponieważ nie tylko sam grafen obiecuje wielorakie zastosowania, trwają prace nad jego modyfikacjami i materiałami pokrewnymi. Jak wiadomo, grafen to płachta z atomów węgla ułożonych jedną warstwą, heksagonalną strukturą przypominająca plaster miodu. Grubość jednego atomu nadaje jej różne ciekawe właściwości. Można je zmieniać, na przykład wprowadzając do jego struktury atomy innych pierwiastków, albo powlekając go inną warstwą. W taki sposób - poprzez nałożenie na obie strony grafenowej płachty atomów wodoru - powstaje inny materiał: grafan, złożony z trzech jednoatomowych warstw. Materiał taki z przewodnika staje się izolatorem. Ale to nie koniec pomysłów. Boris Yakobson, wykładowca inżynierii mechanicznej i materiałowej i chemii na Uniwersytecie Williama Rice'a odkrył bardzo ciekawe właściwości grafanu. Zaproponowana przez niego modyfikacja to usunięcie pojedynczych atomów wodoru lub ich grup z obu stron materiału. „Dziury" takie zawsze zachowują kształt sześciokąta i wyraźne granice. Co ważniejsze, stają się w ten sposób kwantowymi kropkami, których parametry można dokładnie dobierać poprzez zmianę ich rozmiaru. Kwantowe kropki to krystaliczne cząstki o rozmiarach atomowych, reagujące na światło i pole magnetyczne w unikatowy sposób. Mogą służyć na przykład jako czujniki chemiczne, pułapki na pojedyncze, określone cząsteczki, jako ogniwa słoneczne, nanoukłady, itp. Jednym zdaniem: otwierają szerokie pole dla nowatorskich technologii w nanoskali. Zaproponowany przez prof. Yakobsona sposób ich wytwarzania byłby małą rewolucją. Możliwość dokładnego dostosowywania ich parametrów, a więc właściwości, dałaby olbrzymie możliwości konstruowania nowych materiałów i urządzeń. Prawdopodobnie byłby to najlepszy materiał do tworzenia kwantowych kropek. Jego wyjątkowe właściwości optyczne już są brane pod uwagę przy projektowaniu układów optoelektronicznych, czy półprzewodnikowych laserów. Niestety, na razie są to konstrukcje teoretyczne, nie ma bowiem gotowej technologii precyzyjnego usuwania atomów wodoru z grafanowej matrycy. Jednak Abhishek Singh i Evgeni Penev, współautorzy pracy na ten temat, uważają, że nie jest to problem. Stworzenie odpowiedniej technologii to ich zdaniem jedynie kwestia czasu i zajęcia się tematem, zwłaszcza, że cel jest określony. Eksperymenty już są przeprowadzane w kilku ośrodkach i choć autorzy pomysłu nie są w stanie powiedzieć, kiedy ich koncepcja zostanie wcielona w życie, uważają, że to niedługo.

Dzięki pracom firmy InVisage użytkownicy telefonów komórkowych będą mogli wykonać lepsze fotografie niż dotychczas. Słaba jakość zdjęć wynika tutaj przede wszystkim z braku dobrej jakości soczewek, jednak częściową "winę" ponoszą też słabe czujniki. Wspomniana InVisage zaprezentowała technologię QuantumFilm, dzięki której małe czujniki mogą przechwycić znacznie więcej światła niż dotychczas. Zakłada ona wykorzystanie kwantowych kropek - czyli niewielkich kryształów, które absorbują światło i emitują fotony lub elektrony - które stanowią pierwszą warstwę sensora. Kwantowe kropki przechwytują dwukrotnie więcej światła niż dotychczasowe układy i zamieniają je w dwukrotnie więcej impulsów elektrycznych. To z kolei wpłynie na poprawę jakości uzyskiwanego obrazu. We współczesnych aparatach cyfrowych czujniki zbudowane są z krzemu. Ma on do spełnienia dwie role: działa jako fotodetektor oraz zmienia światło w sygnał elektryczny. Część pracująca jako fotodetektor leży poniżej tranzystorów, ścieżek czy kolorowych filtrów. To powoduje, że do krzemu dociera tylko część światła. Próbuje się zaradzić temu problemowi stosując np. mikrosoczewki, jednak krzem sam w sobie nie jest dobrym materiałem do wykrywania światła i rejestruje mniej niż połowę padających nań fotonów. InVisage dodało płynną warstwę kropek kwantowych zawierających ołów i siarczek, którą umieszczono nad elektroniką i krzemem, ale poniżej filtra. Padające nań światło powoduje powstanie negatywnie naładowanego elektronu oraz pozytywnie naładowanej dziury. Przedstawiciele InVisage zapewniają, że kwantowe kropki absorbują niemal 100% światła. Następnie za pomocą pola elektrycznego elektrony są oddzielane od dziur i kierowane do obwodów, gdzie mierzony jest sygnał elektryczny. Specjaliści zwracają uwagę, że kluczową kwestią będą koszty produkcji czujników z warstwą kropek kwantowych. Muszą być one niewielkie, gdyż rynek telefonów komórkowych jest niezwykle wrażliwy na ceny. Pocieszający może być fakt, że kropki kwantowe są też w stanie filtrować różne długości fali świetlnej. Jeśli zatem nowa technologia się przyjmie, możliwa będzie rezygnacja z kolorowych filtrów, a więc obniżą się koszty produkcji. Pierwsze aparaty z kropkami kwantowymi mogą trafić na rynek pod koniec 2011 roku.

Badacze z Uniwersytetu Stanowego Północnej Karoliny zauważyli, że kropki kwantowe mogą przenikać w głąb skóry, jeśli jest ona w jakiś sposób uszkodzona, np. znajduje się nie otarcie czy ranka. Podaje to w wątpliwość bezpieczeństwo nanotechnologii (Skin Pharmacology and Physiology). Amerykanie z zespołu profesor Nancy Monteiro-Riviere twierdzą, że zjawisko to stanowi zagrożenie dla osób zajmujących się wytwarzaniem kropek kwantowych lub badaniem ich zastosowań w aplikacjach biomedycznych. W ramach studium wykazano, że kropki kwantowe o różnych kształtach, rozmiarach i powłokach nie penetrowały skóry szczurów, dopóki była ona nienaruszona. Wystarczyło jednak niewielkie nawet zadrapanie czy skaleczenie, by cząsteczki przenikały przez warstwy skóry, docierając nawet do krwioobiegu. W ten sposób badano krótkoterminowe oddziaływanie kropek kwantowych na skórę i organizm istot żywych, nadal jednak nie wiadomo, jakie są skutki długofalowej ekspozycji.

Bezpieczeństwo nanomateriałów stało się jakiś czas temu obiektem intensywnych badań. Naukowcy od kilku lat starają się dowiedzieć, czy te mikroskopijne struktury, tworzone najczęściej z węgla, są bezpieczne dla ludzi oraz innych organizmów, a nawet dla całych ekosystemów. Tym razem badacze postanowili przebadać przepływ nanomateriałów pomiędzy kolejnymi organizmami w łańcuchu pokarmowym. Szczęśliwie, wyniki analizy są uspokajające. Celem eksperymentu było określenie wydajności wchłaniania oraz sposobów wydalania i ilości przekazywanych w łańcuchu pokarmowym nanostruktur. Jako przykładowy model nanomateriału posłużyły badaczom tzw. kropki kwantowe (ang. quantum dots) - drobne cząsteczki zdolne do intensywnej fluorescencji pod wpływem światła o określonej długości fali. Jako modelowy, znacznie uproszczony łańuch pokarmowy posłużyły dwa drobne organizmy wodne: pierwotniak Tetrahymena pyriformis oraz żywiący się nim wrotek z gatunku Brachionus calyciflorus. Badacze udowodnili, że T. pyriformis "chętnie" i intensywnie pobierał kropki kwantowe, co wykazano dzięki pomiarom światła wytwarzanego wewnątrz jego komórek. Co więcej, pochłonięte w ten sposób cząsteczki trafiały później do organizmu wrotka i utrzymywały w nim zdolność do fluorescencji, co oznacza, że nie są wrażliwe na trawienie. Z drugiej jednak strony, nie wykazywały one tendencji do akumulacji w organizmie drapieżnika, co oznacza najprawdopodobniej zdolność B. calyciflorus do skutecznego wydalania fluorescencyjnych cząsteczek. Prowadzący badania David Holbrook z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (National Institute of Standards and Technology - NIST) zastrzega jednak, że należy być bardzo ostrożnym przy próbie zastosowania tych samych wniosków w odniesieniu do człowieka. Nasze badania pokazują, że choć transfer troficzny [czyli przekazywanie materii od ofiary do żywiciela - red.] kropek kwantowych miał w tym prostym łańcuchu pokarmowym miejsce, nie dochodziło do ich akumulacji w wyższym z tych dwóch organizmów, tłumaczy Holbrook. Badacz zaznacza jednak, że choć wstępne wyniki nie wskazują na istnienie ryzyka zachodzenia tego zjawiska, dla osiągnięcia pelnej wiedzy potrzebne jest przeprowadzenie bardziej złożonych ekspermentów i stworzenie dokładniejszych metod pomiaru ilości przenoszonych w łańcuchu pokarmowym nanomateriałów.